传感器整本课件

1、本章学习要求 传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。完成本章内容的学习后应能做到： 1.了解传感器的的作用与工业应用情况 2.了解传感器的分类 3.了解传感器的最新发展动态 返回第四章 信息的转换传感技术4.1 概述4.2 电阻式传感器4.3 电感式传感器4.4 电容式传感器4.5 压电式传感器4.6 磁电式传感器4.7 半导体元件传感器4.8 其他类型传感器4.9 传感器选用原则4.1 概述4.1.1 传感器的作用 用机械代替体力劳动是第一次产业革命，在那次革命中，火车、汽车取代了人力车，各种动力机械取代了繁重的体力劳动。而用机械和电子装置来代替部分脑力劳动，可以说是第二次或第三

2、次产业革命，这也是当前科学技术发展的重要课题之一。在这一课题中，传感器的研究是一个不可忽视的内容。 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。 4.1.2 传感器的组成 传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。敏感器件是传感器的核

3、心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。 一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，它们是一些能把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。 现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。 4.1.3 传感器的分类 传感器的种类繁多。在工

4、程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测；而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。 传感器的分类方法很多，概括起来，主要有下面几种分类方法。 (1)按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。 (2)按传感器工作的物理原理来分类，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式等。 (3)按信号变换特征来分类，可分为物性型和结构型。 所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温，是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等

5、。 所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。 (4)按传感器与被测量之间的关系来分类，可分为能量转换型和能量控制型。能量转换型传感器 (或称无源传感器)，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。 (5) 按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式两种 前者的输出量为连续变化的模拟量，而后者的输出量为数字量。由于计算机在工程测试中的应用，数字式传

6、感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模-数转换变为数字量。4.1.4 传感器的发展动向 当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。 (1)用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。(2)传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。 工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求就越高，相应地测量程度要求也就越高。因此，当今在传感器制造上很重视发展微机械加工技术。微机械加工技术除全面

7、继承氧化、光刻、扩散、沉积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术，各向异性腐蚀、固相键合工艺和机械分断技术。 (3)发展智能型传感器。 智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能，是传感器的发展方向。 4.2 电阻式传感器 学习要求 完成本节内容的学习后应能做到： 1.掌握电阻式传感器的工作原理 2.了解电阻式传感器的结构、分类 3.掌握变阻器式传感器、电阻应变式传感器、固态压阻式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点 4.了解电阻式传感器的应用 电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成电

8、阻值的变化,再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。按其工作原理可分为变阻器式(电位器式)、电阻应变式和固态压阻式传感器三种。 4.2.1 变阻器式传感器 (1) 变阻器式传感器工作原理 变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。根据式 式中 电位器的电阻灵敏度。 相应电刷位移x的电压输出U0为 常用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等 (2) 变阻式传感器的优缺点 优点：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不

9、需放大。缺点：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。 (3) 变阻式传感器的应用 变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。 下图是用变阻式传感器制作的位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路。 4.2.2 电阻应变式传感器 (1) 应变式传感器的工作原理 当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起

10、变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等机械参数。 金属电阻应变片的工作原理，是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。 若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力时的电阻为R，则 式中R金属丝的电阻值，； 金属丝的电阻率，mm2/m； L金属丝的长度，m； S金属丝的截面积，mm2。 如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S变化d

11、S，电阻率变化，因而引起电阻R变化dR。将式微分，整理可得对于圆形截面有为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；为电阻丝径向相对伸长，即径向应变， 两者之比即为金属丝材料的泊松系数，负号表示符号相反，有 整理得 K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 金属材料的灵敏系数受两个因素影响： 一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即 另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即 对于金属材料 比 小得多。 大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数。 K0=1+2=常数 通常金属电阻丝的K0=1.73.6。 (2) 应变

12、计的主要参数 1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。(3) 金属电阻应变片 金属丝电阻应变片 采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点。 金属箔式应变片 (4) 电阻应变式传感器应用 电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面。 1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工

13、作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。 2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。应变片的典型应用见下图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内

14、与振动体的加速度成正比。4.2.3 固态压阻式传感器 (1) 工作原理 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，故仍可用上式来表达。对于金属材料来说， 比较小，但对于半导体材料， ，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由 引起的，即由半导体理论可知 式中L沿某晶向L的压阻系数；。 沿某晶向L的应力； 。E半导体材料的弹性模量。半导体材料的灵敏系数K0为 例如半导体硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011Pa，则K

15、0=LE50100。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高5070倍。 最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。(2) 压阻式传感器的特点 优点：灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。缺点：温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。 (3) 固态压阻式传感器的应用 固态压阻式传

16、感器主要用于测量压力和加速度等物理量。 利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如下图所示。悬臂梁3由于加速度而产生位移，该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起压阻层电阻变化，检测出电阻变化即可检测出加速度大小。在100Hz左右的带宽中，可检测（0.00150）g（9.8m/s2)的加速度。 下图是一个采用单晶硅做成的悬臂梁式弹性元件，采用平面扩散工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自由段连接敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。 4.3 电感式传感器 学习要求 完成本节内容的学习后应能做到：1.了解电感式传感器的工作原理2.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差

17、动变压器式传感器的特点3.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的应用 电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。 4.3.1 可变磁阻式电感传感器 可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙。根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通 ，其大小与电流成正比，即 式中W线圈匝数； 。L线圈电感，H。 根据磁路欧姆定律，磁通 式中 磁动势，A； 。 磁阻，H-1。所以，线圈电感(自感)可用下式计算 如果

18、空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为 因为 则 上式表明，自感L与空气隙成反比，而与空气隙导磁截面积S0成正比。当固定S0不变，变化时，L 与呈非线性（双曲线）关系，如上图所示。此时，传感器的灵敏度为 因此，自感L可写为 灵敏度S与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定在较小的范围内工作。 例如，若间隙变化范围为（ ），则灵敏度为 由上式可以看出，当 时，由于 故灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。实际应用中，一般取 。 这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm。 几种常用可变磁阻式传感器

19、的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。 4.3.2 涡流式电感传感器 (1) 涡流式传感器原理 涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”

20、或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若改变其中的某两项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。 (2) 高频反射式涡流传感器如上图所示，高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用

21、于位移测量。(3) 低频透射式涡流传感器。工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。4) 涡流式传感器的应用 涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转

22、速、距离、厚度等参数的测量，它可实现非线性测量。下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。 4.3.3 差动变压器式电感传感器 互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。 差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种， 螺管形差动变压器式电感传感器 传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈

23、极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，e1e2，ey0；当活动衔铁向下移时，e1e2，ey(C+Cf)，故固上式可简化为 ey-q/Cf 上式表明，在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。 4.6 磁电式传感器 完成本节内容的学习后应能做到： 1.了解磁电式传感器变换原理 2.了解动圈式传感器的

24、基本结构和工作原理 3.了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理 学习要求4.6.1 磁电式传感器变换原理 磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为101000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。 根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量的变化率，即 磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改

25、变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。 4.6.2 动圈式传感器 工作原理当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为式中l每匝线圈的平均长度； 。B线圈所在磁场的磁感应强度； 。S每匝线圈的平均截面积 。 在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量

26、位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。 动圈式磁电传感器等效电路如下图所示，其等效电路的输出电压 式中e0为发电线圈感应电动势；。R0为线圈电阻，一般R0=0.13K；。RL为负载电阻（放大器输入电阻）；。Cc为电缆导线的分布电容，一般Cc=70pF/m；。Rc为电缆导线电阻，一般Rc=0.03/m。 在不使用特别加长电缆时，Cc可忽略，因此，当RLR0时，则放大器输入电压eLe0。感应电动式经放大、检波后，即可推动指示仪表。 4.6.3 磁阻式传感器 磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。其结构原理如下图所示。 图a为开

27、路变磁通式传感器，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。 图b为闭合磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/60。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达1

28、00Hz。 4.7 半导体元件传感器 完成本节内容的学习后应能做到： 1.了解磁电转换元件传感器的工作原理 2.了解光电转换元件传感器的工作原理 3.了解热敏电阻传感器的工作原理 4.了解气敏电阻传感器的工作原理 学习要求4.7.1 磁电转换元件传感器 霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。 例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转

29、换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。 (1) 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，如上图所示，在薄片左右两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子(电子)将沿着于电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到

30、动态平衡。这时在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。 (2) 霍尔元件 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。 霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的

31、壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 (3) 应用举例 将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 4.7.2 光电转换元件传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器

32、件。 其工作原理是基于一些物质的光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。 (1) 光电效应及分类(2) 外光电效应 在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。根据爱因斯坦的假设,一个光子的能量只给一个电子,因此,如果要使一个电子从物质表面逸出,光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0,这时逸出表面的电子就具有动能Ek Ek与光的频率有关，频率高则动能大。由于不同材料具有不同的逸出功,因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电

33、子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”，其波长为: ， 其中，c为光在空气中的速度，k为波长，k=c/。该波长称为临界波长。基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管等。 K为光电阴极,A为光电阳极,在二者之间又加入D1、D2、D3，等若干个光电倍增极(又称二次发射极),这些倍增极涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏物质。 在工作时,这些电极的电位是逐级增高的,当光线照射到光电阴极后,它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用,加速并打在这个倍增极上,产生二次发射；由第一倍增极D1产生的二次发射电子,在更高电位的

34、D2极作用下,又将加速入射到电极D2上,在D2极上又将产生二次发射这样逐级前进,一直到达阳极A为止。 由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。 (3) 内光电效应 。 受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。 1)光电导效应 光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。 光敏电

35、阻(光导管)： 光敏电阻是一种电阻元件,具有灵敏度高,体积小,重量轻,光谱响应范围宽,机械强度高,耐冲击和振动,寿命长等优点。 在黑暗的环境下,它的阻值很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时,光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度的光子激发,由价带越过禁带而跃迁到导带,使其导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。 光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdS，Eg=2.4eV和硒化镉(CdSe，Eg=1.8eV)。光敏二极管和光敏三极管：光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。 2)光生伏特效应 。光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应

36、。因此光生伏特型光电器件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用的材料,也可以使用锗。 (4)光电传感器的应用 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。下图表明了四种形式的工作方式。 实例直射式光电转速传感器 它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝

37、隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速n=f/N ，式中n转速； f脉冲频率； N圆盘开孔数。 4.7.3 热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。一般称为半导体热敏电阻，或简称热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。 根据半导体理论，在一定的温度范围内，热敏电阻在温度T时的电阻为 由

38、式可知，测出热敏电阻的阻值后，就可以确定被测物体的温度。 式中R0为温度T0时的电阻值，一般T0取为25； 。R为温度T时的电阻； 。为材料的特性系数，一般温度范围在20004500K内，取3400K。 半导体热敏电阻与金属热电阻比较，有如下优点。 (1)电阻温度系数大，灵敏度高，可测量微小的温度变化值。例如，可以测出0.0010.005的温度变化。 。(2)体积小，热惯性小，响应快。例如，直径可小到0.5mm，响应时间可短到毫秒级。 。(3)元件本身的电阻值可达3700k，当远距离测量时，导线电阻的影响可不考虑。 。(4)在-50350的温度范围内，具有较好的稳定性。 典型的热敏电阻元件有圆

39、形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。下图中曲线上所标的是其室温下的电阻值。 4.7.4 气敏电阻传感器 气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样的气体，需要进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制、煤矿瓦斯浓度的检测与报警、环境污染情况的监测、煤气泄漏、火灾报警、燃烧情况的检测与控制等。 (1) 气敏传感器及其分类 气敏传感器的种类较多，主要包括敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。 前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器， 后者主要有高频成分传感器和

40、光学成分传感器。 由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此。本节将着重介绍半导体气敏传感器。 (2) 半导体气敏传感器工作原理 半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。 半导体气敏传感器大体上可分为两类：电阻式和非电阻式。 电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。 利用半导体材料的

41、这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。 下图所示为典型气敏元件的阻值-浓度关系。从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。 一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。 (3) 应用 气敏传感器广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。 4.8 其它类型传感器 完成本节内容的学习后应能做到：1.了解热辐射检测传感器工作原

42、理及特点2.了解超声波检测传感器工作原理及特点3.了解声发射检测传感器工作原理及特点4.了解光纤传感器工作原理及特点5.了解CCD图像传感器工作原理及特点 学习要求 4.8.1 热辐射检测传感器 人眼能感觉到的光(可见光)是波长为0.380.75m的电磁波。可见光是由光照度来定义的，即人眼受光刺激的程度，但紫外线、红外线等作为电磁波来处理时是以物理上的能量的大小来表示的。只是由于可见光人眼能直接感受，所以很早以前就作为一门学科进行研究，其实同为电磁波的可见光并没有特别之处。 绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度(K)，在此仅考虑黑体(black body)也称全辐射体(full

43、radiator)的辐射能和波长的关系，即辐射辉度L(，T)。根据普朗克辐射定律有以下表达式 T为物体的温度，K； 。为热辐射波长，m； 。C1,C2为普朗克第1、第2常数。 C1,C2可以由下式表示 C为真空中的光速，2.998X108m/s； 。h为普朗克常，6.6261034 JS； 。K为玻尔兹曼常量，1.38066lO-23J/K。 分光辐射辉度与波长、温度的关系如下图所示。分光辐射辉度为最大时，波长m与此时物体温度T的积为一定值，由下式表示 此关系称为维恩位移定律。 (2) 用辐射温度计测量温度 用辐射温度计测量温度时，是先测出分光辐射辉度的大小再换算成温度。此时选择什么样的波长成

44、为关键。光探测器对不同的波长有不同的灵敏度，因此探测器的选择也很重要。 测量高温物体的温度时，因分光辐射辉度大，用短波长探测器就够了，故常用硅光电二极管（silicon photodiode)。硅光探测器(silicon cell)输出电流和光强度之间的线性非常好，而且长期稳定性好，其特性几乎不受周围温度改变的影响。 随着所测温度的降低，需使用敏感长波长的探测器，如Ge，InAs，Pbs，InSb，HgCdTe等半导体检测器、热电元件、热敏电阻和辐射热测量计等热电型探测器，具有代表性的探测器对波长的依赖关系如下图所示。 半导体检测器的灵敏度对波长的依赖关系强，而热电型探测器对波长的依赖性较弱。

45、 利用黑体校正辐射温度计的校正装置其机构如下图所示。 在光电二极管前放置干涉滤光器，这是测量单一波长的辐射温度计的标准形式。输出特性严格遵守普朗克定律。 若使用的波长为0.6m，则成为1000T以上的国际标准测温计。这种标准辐射温度计首先由日本提出，后来根据大量的实验数据经不断改进而成为国际标准温度计。 3.8.2 超声波检测传感器 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。 (1)次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。 (2)声波：振动频率在162104Hz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。 (3)超声波：高于21O4Hz

46、的机械波。 (4)微波：频率在31O831O11Hz之间的机械波。1)声波及其分类(1) 声学基础知识 2)声压与声强 介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压。随着介质中各点声振动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是Pa(N/m2)。 。声强又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向，声强的单位是W/m2。 3)物质的声学特性 。(1)声速：声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。除水以外，大部分液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加。流体中的声速随

47、压力的增加而增加。 。(2)声阻抗特性：声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度与声速c之积，记作Z=c。声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比，接近于1:80000，所以当声波垂直入射在空气与金属的界面上时，几乎是百分之百地被反射。温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响，实际中应予以注意。 (3)声的吸收：传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一。固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。例如，均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不

48、均匀时，声吸收情况将发生明显变化。 (2) 超声波及其物理性质 由于声波在介质中施力方向与声波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同，通常有以下几种。 。(l)纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，纵波能在固体、液体和气体中传播。 。(2)横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波称为横波，横波只能在固体中传播。 。(3)表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。 1）超声波的波型 2）超声波的物理性质 具有束射特性，方向性强，可以定

49、向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10m米以上。 超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射 (或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。 (3) 超声波传感器及应用 。以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称

50、为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。 1）压电式超声波传感器 压电式超声波传感器主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。 在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体，由一个压电元件作为“发射”和“接收”兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电

51、元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。 2）磁滞式超声波传感器 磁滞式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是：把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是：当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。 3)超声波传感器的应用 利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及

52、医疗等各技术领域。 主控制器控制发射电路，按一定频率发射出脉冲信号，此信号经过放大后，一方面加于示波器上，另一方面激励探头，发出超声波，至试件底面反射回来，再由同一探头接收，接收到的超声波信号也经放大后与标记发生器发出的定时脉冲信号同时输入示波器，在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号，根据横轴上的标记信号，可以测出从发射到接收的时间间隔t,如果已知超声波在试件中的传播速度c，那么试件厚度h很容易求得,即h=ct/2。 4.8.3 声发射检测传感器 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。声发射也称应力波发射。除极少数材料外，金属和非金属

53、材料在特定条件下都有声发射产生。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金属(如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。 声发射源基本上分为四组：1）位错运动；2）相变；3）摩擦过程；4）裂纹形成和扩展。 发射出来的信号可粗略地分为两类：1）连续发射(类似白噪声)；2）突发发射。由于结构和传感器的谐振，检测到的发射信号像衰减的正弦波，检测到的两类信号如下图所示。 常用的声发射仪器,可分为单通道检测仪、多通道声发射源定位和分析仪两个基本类型。 单通道声发射检测仪 由探头将接收到的声发射信号转换为电信号。为了提高信噪比，前置放大器输入端噪声电平应不超过5v,应具有4060dB的

54、增益，并具有较大的动态范围和频带宽度。滤波器的频带宽度视要求而定。主放大器的增益一般应为6OdB左右，并且有足够的动态范围和频带宽度。鉴幅整形可设置固定或可变的阈值电平门限，超过此值的信号形成振铃脉冲或事件脉冲。 声发射率和总计数电路将对振铃脉冲或事件脉冲进行计数。 除数字显示外，还有模拟量输出，供给X-Y函数记录仪记录。 还可以采用大部分通用设备来组成声发射测量与分析系统，如下图所示。在组合结构的系统中，可以增加峰值振幅检测、有效值电压和能量检测等多功能的测量插件。 多通道声发射检测仪最少通道数不少于2，目前有双通道、3通道乃至72通道声发射检测仪器或系统，均采用功能组件组合方式，根据不同的

55、需要组成不同功能的系统。 例如美国Dunegan/Endevco公司生产的3000，6000，8000及1032系统； 美国声发射技术公司生产的AET5O00组件系统； 日本NF回路株式会社生产的NF AE9000组件系统和日本新日铁公司生产的NAIS、M和A三种组件系统等。4.8.4 光纤传感器 光纤自20世纪60年代问世以来，就在传递图像和检测技术等方面得到了应用。利用光导纤维作为传感器的研究始于20世纪70年代中期。由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等一些优点。 无论是在电

56、量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。 (1) 光纤传感器简介 光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。 信号的转换环节，将被测参数转换成为便于传输的光信号。 。 信号的传输环节，利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。 。 信号的接收与处理环节，将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。 (2) 物性型光纤传感器及其应用 。 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境

57、因素(如温度、压力、电场、磁场等)改变时，其传光特性 (如相位与光强)会发生变化的现象。 因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器， 图a所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转； 图b所示为光纤在点压力作用下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。 下图为光纤流速传感器，主要由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形

58、，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比，这就是光纤传感器测流速的工作原理。 (3) 结构型光纤传感器及其应用 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。 下图所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统，所谓多普勒效应，即当波源相对于介质运动时，波源的频率与介质中的波动频率不相同。同样，介质中的频率与一个相对于介质运动的接收器所记录的频率也不相同，这两种情况都称为多普勒效应，所产生的频率差称为多普勒频率。 该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频

59、率检测器及振动物体等部分组成。 其工作原理为： 由激光光源(氢-氦激光)发出的光(频率为fi)导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体 (被测体)振动，产生散射(频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为 式中fi为入射光频率，即激光源频率； fs为散射光频率； n为发生散射介质的折射率； 为入射光在空气中的波长； 为被测物体的运动速度。 。光纤传感器应用在高压、电磁感应噪音条件下的测试； 在危险和环境恶劣条件下的测试； 在机器设备内部的狭小间隙中的测试； 在远距离的传输中的测试。4.9 传感器选用原则 了解传感器的结构及其发展后，如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，也是需要认真考虑的问题。下面就传感器的选用问题作一些简介。 。 。选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。(1) 灵敏度。一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵